科普 | 声表面波PM2.5监测器：让雾霾无处遁形

来源：中科院声学所

雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，属于大气污染状态。2018年11月14日，京津冀及周边地区正在经历的一场大气重污染被网友调侃为“第25个节气”——立霾，关爱雾霾中的人民成为热门话题。

众所周知，造成雾霾天气的“元凶”是PM2.5，即空气动力学当量直径小于等于2.5微米（相当于头发直径的1/20）的颗粒物。这类颗粒物会通过人的鼻腔和咽喉直接进入细支气管、肺泡，再通过肺泡壁进入毛细血管，最后进入整个血液循环系统，对人体的呼吸系统、心血管系统，甚至大脑都可能造成伤害。因此，我们抗霾的脚步不能停歇。

为了实时监测雾霾这一危害人们健康的“敌人”，科学家们采用不同的测定方法研制了多种PM2.5监测器。与传统的PM2.5监测器相比，声表面波PM2.5监测器具有体积小、灵敏度高、检测下限低等优点，很受欢迎呢。

接下来就看看这种打探雾霾“底细”的神器长什么样吧！

声表面波PM2.5监测器的核心部分是声表面波器件。声表面波器件的重要组成部分则是叉指换能器，而叉指换能器（IDT）是由沉积在压电材料基片上形如人的手指交叉状的金属图案所构成。

压电晶体是一种有趣的材料，你电它，它就会变形；你把它弄变形，它就会产生电。

当交变电压加到叉指换能器上的交叉电极上时，会在压电晶体内形成交变电场，经过压电效应在其体内激发相应的弹性振动，这也就是声表面波了！

当PM2.5附着在声表面波器件表面时，会对声表面波的传播形成干扰，使声表面波的传播速度产生变化，而这会导致外围双环路振荡器的输出频率发生相应变化，只需监测这个频率的变化就能得出PM2.5的浓度值。归根结底，还是声表面波把PM2.5的底细抖露了出来！

大家可不要小看这似乎简单的操作，做起来可一点也不简单。这就好比盖房子，首先得打好地基，其次就再添加一砖一瓦。对于声表面波 PM2.5 监测器来说，抓住PM2.5是地基，浓度评估则是不可或缺的砖瓦了！ 

第一步，从空气中分离出PM2.5。科学家把携带PM2.5的采样气流放入相应的虚拟冲击器，在这里，颗粒物因惯性大小不同而被分离。

第二步，借热泳力让PM2.5就位。惯性较小的 PM2.5随主气流一起运动，来到由热源和声表面波监测器构成的热泳沉积器中。此时 PM2.5受微通道内温度梯度场的热泳力作用，逐渐向冷端（声表面波监测器）表面沉积。

不过，什么作用力如此厉害，竟然能够抓住“来无影去无踪”的PM2.5呢？

这其中需要气体分子的帮助，当细颗粒物在具有温度梯度场的气体中悬浮时，由于冷热区气体分子与颗粒物碰撞时传递的动量不同，导致细颗粒物受到与温度梯度方向相反的力的作用向低温方向运动，沉积在声表面波监测器表面，这样PM2.5就在热泳作用力下被抓住了。

第三步，给PM2.5称体重。沉积到声表面波监测器表面的PM2.5，干扰声表面波传播速度变化，导致外围双环路振荡器输出频率做出相应改变。科学家通过实验建立起沉积物质量与频率变化之间的对应关系，就像对照表似的，通过监测频率的变化，即可测出 PM2.5 的重量。

基于声表面波的PM2.5监测器类似于微量天平，当PM2.5落到监测器表面，仪器就可以将它“称”出来。

北方地区正值雾霾天气，面对面都看不清对面是谁。雾霾出现的主要原因是人类活动排放大量污染物，诱因是大雾等极端不利气象条件。我们虽然不能左右大自然，但是却可以减少污染排放，保卫蓝天。